RU2106941C1 - Process of soldering of telescopic structures - Google Patents

Abstract

FIELD: joining of shells of heterogeneous materials with use of high-temperature soldering. SUBSTANCE: telescopic structure composed of thin-walled internal and thick-walled external shells is assembled. External shell is welded from heterogeneous materials. Coefficient of thermal expansion of material of element 2 of external shell is less than that of its element 1. Thermal compensator 7 is mounted on internal side of internal shell 4. Additional thermal compensator 8 made from material which coefficient of thermal expansion is equal to thermal coefficient of element 2 of external shell is mounted on external shell. Soldering is executed in furnace in atmosphere of inert gas. In process of soldering additional thermal compensator 8 absorbs stretching forces in element 1 caused by weld and element 2 and does not exert any considerable action on element 1. EFFECT: increased output of good products thanks to enhanced tightness of soldered joints. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к технологии соединения телескопических оболочек из разнородных материалов с помощью высокотемпературной пайки. The invention relates to mechanical engineering, in particular to a technology for connecting telescopic shells of dissimilar materials using high-temperature soldering.

Известен способ пайки двухслойных телескопических конструкций, содержащих оболочки из разнородных материалов [1]. В известном способе соединяемые оболочки герметизируют по торцам, образующуюся полость вакуумируют, нагревают в печи в атмосфере инертного газа - аргона под давлением и после пайки охлаждают в защитной среде, не снижая давления газа. В процессе пайки происходит взаимное прижатие оболочек за счет перепада давления снаружи и внутри конструкции. There is a method of soldering two-layer telescopic structures containing shells of dissimilar materials [1]. In the known method, the joined shells are sealed at the ends, the resulting cavity is evacuated, heated in an oven in an atmosphere of inert gas - argon under pressure, and after soldering is cooled in a protective medium without reducing the gas pressure. In the process of soldering, the shells are pressed against each other due to the pressure drop outside and inside the structure.

Однако при пайке по известной технологии теплонапряженных конструкций, оболочки которых выполнены из плохо паяемых материалов, например, таких как серебро и никель, не удается создать плотного контакта между соединяемыми поверхностями из-за недостаточного избыточного давления для поджатия оболочек. В результате появляются трещины в паяном шве и разгерметизация конструкции. However, when brazing using the well-known technology of heat-stressed structures, the shells of which are made of poorly brazed materials, such as silver and nickel, it is not possible to create tight contact between the joined surfaces due to insufficient excess pressure to compress the shells. As a result, cracks appear in the soldered joint and depressurization of the structure.

В известном способе [2] пайки толстостенной наружной и тонкостенной внутренней оболочек, выполненных из плохо паяемых материалов, решена проблема плотного их поджатия за счет использования термокомпенсатора, размещенного перед пайкой внутри паяемой конструкции. Термокомпенсатор выполнен из материала, коэффициент термического расширения которого равен коэффициенту термического расширения наружной оболочки. Это обстоятельство позволяет в процессе кристаллизации припоя при охлаждении конструкции с температуры пайки термокомпенсатору поджимать внутреннюю оболочку к наружной, не вызывая в ней напряжений и исключая ее отрыв от наружной оболочки. In the known method [2] of soldering thick-walled outer and thin-walled inner shells made of poorly soldered materials, the problem of tight tightening due to the use of a thermal compensator placed before soldering inside the brazed structure is solved. The temperature compensator is made of a material whose thermal expansion coefficient is equal to the thermal expansion coefficient of the outer shell. This circumstance allows during the crystallization of the solder during cooling of the structure from the soldering temperature, the thermal compensator to press the inner shell to the outer shell without causing stresses in it and excluding its separation from the outer shell.

Однако при использовании известного способа не удается качественно спаять телескопические конструкции сложной конфигурации, толстостенная наружная оболочка которых содержит сваренные между собой элементы из разнородных материалов, находящиеся вне и в зоне пайки. Причиной является наличие трещин в металле элемента наружной оболочки, находящегося в зоне пайки, вследствие одновременного воздействия на него расплавленного припоя и растягивающих напряжений, вызванных разницей коэффициентов термического расширения материалов сварных элементов наружной оболочки. However, when using the known method, it is not possible to qualitatively solder telescopic structures of complex configuration, the thick-walled outer shell of which contains elements welded together from dissimilar materials located outside and in the soldering zone. The reason is the presence of cracks in the metal of the element of the outer shell located in the soldering zone, due to the simultaneous impact of molten solder and tensile stresses caused by the difference in the coefficients of thermal expansion of the materials of the welded elements of the outer shell.

Задача изобретения - изготовление паяных телескопических конструкций, содержащих толстостенную сварную наружную оболочку из разнородных материалов, без трещин в паяном соединении, обес- печивающем их высокую степень герметичности. The objective of the invention is the manufacture of soldered telescopic structures containing a thick-walled welded outer shell of dissimilar materials, without cracks in the soldered joint, providing them with a high degree of tightness.

Задача решена за счет того, что элемент наружной оболочки, находящийся вне зоны пайки, выполнен из материала с коэффициентом термического расширения, меньшим коэффициента термического расширения материала элемента, находящегося в зоне пайки, на наружной оболочке размещают дополнительный термокомпенсатор, граничащий с ее элементами и сварным швом и выполненный из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения материала элемента, находящегося вне зоны пайки. The problem is solved due to the fact that the element of the outer shell located outside the soldering zone is made of material with a coefficient of thermal expansion less than the coefficient of thermal expansion of the material of the element located in the soldering zone, an additional temperature compensator is placed on the outer shell bordering its elements and the weld and made of a material with a coefficient of thermal expansion equal to the coefficient of thermal expansion of the material of the element outside the soldering zone.

Технический результат - повышение выхода годной продукции за счет повышения герметичности паяных соединений конструкций. EFFECT: increased yield of products due to increased tightness of soldered joints of structures.

На чертеже представлено схематичное изображение корпуса в виде телескопической конструкции, спаянной в соответствии с предложенной технологией. The drawing shows a schematic illustration of the housing in the form of a telescopic structure, welded in accordance with the proposed technology.

Корпус включает толстостенную наружную оболочку из разнородных материалов, содержащую соединенные между собой элемент 1, находящийся в зоне пайки, и элемент 2, находящийся вне зоны пайки, с помощью сварного шва 3, а также внутреннюю оболочку 4. Последняя соединена с элементом 1 наружной оболочки с помощью пайки припоем 5. С внутренней стороны оболочки 4 установлены тонкое разрезное кольцо 6 и термокомпенсатор 7. На наружной оболочке размещен дополнительный термокомпенсатор 8, граничащий с элементами 1, 2 и сварным швом 3. The housing includes a thick-walled outer shell of dissimilar materials, containing an interconnected element 1 located in the soldering zone, and an element 2 located outside the soldering zone using a weld 3, as well as an inner shell 4. The latter is connected to the outer shell element 1 by soldering with solder 5. On the inner side of the shell 4, a thin split ring 6 and a temperature compensator 7 are installed. An additional temperature compensator 8 is placed on the outer shell, bordering elements 1, 2 and a weld seam 3.

Способ в соответствии с изобретением осуществляют следующим образом. The method in accordance with the invention is as follows.

Собирают корпус в виде телескопической конструкции, содержащей толстостенную наружную оболочку и тонкостенную внутреннюю оболочку 4. Толстостенная наружная оболочка выполнена сварной и содержит элементы 1 и 2 из разнородных материалов, причем коэффициент термического расширения материала элемента 2 меньше коэффициента термического расширения материала элемента 1. Предварительно элементы 1 и 2 наружной оболочки сваривают между собой с образованием толстого сварного шва 3. Сварной шов 3 выполняют с помощью сварочной проволоки, химический состав которой близок к химическому составу элемента 2 наружной оболочки, для того, чтобы получить прочность шва не менее 0,85 прочности основного металла. Между элементом 1 и внутренней оболочкой 4 располагают припой 5. С внутренней ее стороны устанавливают кольцо 6 и термокомпенсатор 7. По наружному диаметру элемента 1 размещают дополнительный термокомпенсатор 8 так, чтобы он граничил с элементом 2 и сварным швом 3. Дополнительный термокомпенсатор 8 выполнен из материала, коэффициент термического расширения которого равен коэффициенту термического расширения материала элемента 2, а значит и меньше коэффициента термического расширения материала элемента 1 наружной оболочки корпуса, находящегося в зоне пайки. Необходимость соблюдения этого условия обусловлена следующими соображениями. Элементы 1 и 2 связаны между собой толстым сварным швом 3, граничащим с дополнительным термокомпенсатором 8. Поскольку химический состав и физико-механические свойства материала сварного шва 3 аналогичны свойствам материала элемента 2, то в процессе пайки сварной шов 3 является передаточным звеном от действия элемента 2. В случае несоблюдения условия однотипности материалов элемента 2 и дополнительного термокомпенсатора 8 в последнем в процессе пайки корпуса появятся растягивающие напряжения от действия элементов 1, 2 и шва 3, что приведет к неравномерной деформации дополнительного термокомпенсатора 8 и, как следствие, к неспаю и появлению трещин в паяном соединении. The housing is assembled in the form of a telescopic structure containing a thick-walled outer shell and a thin-walled inner shell 4. The thick-walled outer shell is welded and contains elements 1 and 2 of dissimilar materials, and the coefficient of thermal expansion of the material of element 2 is less than the coefficient of thermal expansion of the material of element 1. Previously, elements 1 and 2 outer shells are welded together with the formation of a thick weld 3. The weld 3 is performed using a welding wire, chemical the composition of which is close to the chemical composition of the outer shell element 2, in order to obtain a weld strength of at least 0.85 of the strength of the base metal. A solder 5 is placed between the element 1 and the inner shell 4. A ring 6 and a temperature compensator 7 are installed on its inner side. An additional temperature compensator 8 is placed on the outer diameter of the element 1 so that it borders on the element 2 and the weld seam 3. The additional temperature compensator 8 is made of material , the coefficient of thermal expansion of which is equal to the coefficient of thermal expansion of the material of the element 2, and therefore less than the coefficient of thermal expansion of the material of the element 1 of the outer shell of the housing, which Osia in the soldering zone. The need to comply with this condition is due to the following considerations. Elements 1 and 2 are interconnected by a thick weld seam 3 bordering an additional temperature compensator 8. Since the chemical composition and physicomechanical properties of the material of the weld seam 3 are similar to the properties of the material of element 2, in the process of soldering, the weld seam 3 is a transmission link from the action of element 2 . In the case of non-compliance with the conditions for the uniformity of the materials of element 2 and the additional temperature compensator 8, tensile stresses from the action of elements 1, 2 and weld 3 will appear in the latter during the soldering process, which will lead to eravnomernoy deformation additional thermal compensator 8, and, as a consequence, nespayu and occurrence of cracks in the solder joint.

При изготовлении дополнительного термокомпенсатора 8 предварительно толщину его стенки рассчитывают в зависимости от толщины элемента 1 наружной оболочки и свойств выбранных материалов. Толщина стенки должна быть такой, чтобы в процессе пайки дополнительный термокомпенсатор 8 амортизировал усилия растяжения в элементе 1 от действия сварного шва и элемента 2. Толщину стенки дополнительного термокомпенсатора определяют из соотношения

где
δ_к - толщина стенки компенсатора;
δ_нар.об. - толщина элемента 1 наружной оболочки;
E_нар.об. - модуль упругости материала элемента 1 наружной оболочки;
α_нар.об. - коэффициент термического расширения материала элемента 1 наружной оболочки,
E_к - модуль упругости материала компенсатора,
α_к - коэффициент термического расширения материала компенсатора.In the manufacture of an additional temperature compensator 8, the preliminary wall thickness is calculated depending on the thickness of the outer shell element 1 and the properties of the selected materials. The wall thickness should be such that during brazing, the additional thermal compensator 8 absorbs the tensile forces in element 1 from the action of the weld and element 2. The wall thickness of the additional thermal compensator is determined from the ratio

Where
δ _to - wall thickness of the compensator;
δ _nar.ob. - the thickness of the element 1 of the outer shell;
E _nar.ob. - the elastic modulus of the material of the element 1 of the outer shell;
α _nar.ob. - coefficient of thermal expansion of the material of the element 1 of the outer shell,
E _to - the modulus of elasticity of the material of the compensator,
α _to - coefficient of thermal expansion of the material of the compensator.

Процессы нагрева и пайки осуществляют в печи в среде защитного газа - аргона под давлением 0,1 - 0,3 кгс/см². Температуру пайки выбирают в зависимости от материала паяемых оболочек. В процессе охлаждения конструкции с температуры пайки в интервале кристаллизации припоя плотный контакт между элементом 1 наружной оболочки и внутренней оболочкой 4 сохраняется за счет действия термокомпенсатора 7.The heating and soldering processes are carried out in a furnace in a shielding gas - argon atmosphere under a pressure of 0.1 - 0.3 kgf / cm ² . The soldering temperature is selected depending on the material of the brazed shells. In the process of cooling the structure from the soldering temperature in the interval of solder crystallization, the tight contact between the element 1 of the outer shell and the inner shell 4 is maintained due to the action of the temperature compensator 7.

Анализ паяных соединений конструкции показал на отсутствие в них таких дефектов, как трещины и неспаи. Устранение дефектов обусловлено отсутствием деформации элемента 1, находящегося в зоне пайки. Предотвращение образования дефектов в элементе 1 было достигнуто за счет использования дополнительного термокомпенсатора 8, коэффициент термического расширения материала которого меньше коэффициента термического расширения материала элемента 1 и идентичен коэффициенту термического расширения материала элемента 2 наружной оболочки и материала сварного шва 3. Это обеспечило в процессе пайки увеличение его размера в меньшей степени по сравнению с элементом 1 и в равной степени с элементом 2 и сварным швом 3. Analysis of soldered joints of the structure showed the absence of defects such as cracks and joints. The elimination of defects is due to the absence of deformation of the element 1 located in the soldering zone. The prevention of the formation of defects in element 1 was achieved by using an additional thermal compensator 8, the coefficient of thermal expansion of the material of which is less than the coefficient of thermal expansion of the material of element 1 and is identical to the coefficient of thermal expansion of the material of element 2 of the outer shell and the material of the weld 3. This ensured an increase in the process of soldering size to a lesser extent compared with element 1 and equally with element 2 and weld 3.

Применение данного способа обеспечило 100%-ный выход годной продукции за счет повышения герметичности паяных соединений. The application of this method provided a 100% yield of products due to increased tightness of soldered joints.

Пример. Собирали корпус, содержащий наружную оболочку из сваренных между собой элемента 1 из никелевого сплава ЭИ-435 и элемента 2 из высоколегированной стали ВНС-25. Толщина оболочки - 30 мм. Сварной шов выполняли многослойным: с внутренней стороны с помощью электронно- лучевой сварки, с наружной - аргонодуговой в среде защитного газа. Сварку осуществляли с помощью сварочной проволоки на основе железа с добавками хрома и никеля и близкой по химическому составу к материалу элемента 2 наружной оболочки корпуса. Внутренняя его оболочка выполнена из серебряного сплава. Между ней и элементом 1 наружной оболочки, находящимся в зоне пайки, располагали припой на основе серебра. С внутренней стороны внутренней оболочки устанавливали термокомпенсатор 7, а на наружной оболочке - дополнительный термокомпенсатор 8, выполненный из стали ВНС-25. Толщина стенки его рассчитана с учетом полученных экспериментальных данных и равна 34 мм. Расчет проводили, выбирая характеристики стали ВНС-25 и никелевого сплава ЭИ-435 при 600^oC, т.к. начиная с этой температуры их коэффициенты термического расширения максимально отличаются по величине.Example. A housing was assembled containing an outer shell of element EI-435 nickel alloy 1 and the element 2 made of high-alloy steel VNS-25 welded together. The shell thickness is 30 mm. The weld was carried out multilayer: from the inside using electron beam welding, from the outside using argon arc in a shielding gas medium. Welding was carried out using an iron-based welding wire with the addition of chromium and nickel and a chemical composition similar to the material of element 2 of the outer shell of the body. Its inner shell is made of silver alloy. Between it and the element 1 of the outer shell located in the soldering zone, there was a silver based solder. A temperature compensator 7 was installed on the inner side of the inner shell, and an additional temperature compensator 8 made of VNS-25 steel was installed on the outer shell. Its wall thickness is calculated taking into account the obtained experimental data and is equal to 34 mm. The calculation was carried out by choosing the characteristics of the VNS-25 steel and the nickel alloy EI-435 at 600 ^o C, because starting from this temperature, their coefficients of thermal expansion differ as much as possible.

Зазор между стенками элемента 1 и дополнительным термокомпенсатором 8 составлял 0,1 мм. Пайку осуществляли в печи в атмосфере аргона при 770 ± 5^oC с выдержкой при ней 3 - 5 мин.The gap between the walls of the element 1 and the additional temperature compensator 8 was 0.1 mm. The soldering was carried out in a furnace in an argon atmosphere at 770 ± 5 ^o C with holding it for 3-5 minutes.

Металлографические исследования паяных соединений показали отсутствие в них дефектов: трещин и неспаев. Гидроиспытания не обнаружили негерметичности паяных конструкций. Metallographic studies of soldered joints showed the absence of defects: cracks and joints. Hydrotest did not detect leaks in soldered structures.

Claims (1)

Способ пайки телескопических конструкций, содержащих толстостенную наружную и тонкостенную внутреннюю оболочки из разнородных материалов, включающий сборку конструкции, ее нагрев, пайку и охлаждение при принудительном поджатии внутренней оболочки к наружной за счет давления размещенного внутри термокомпенсатора, отличающийся тем, что проводят сборку конструкций, наружная оболочка которых выполнена сварной из элементов, материалы которых имеют различные коэффициенты термического расширения, при этом ее размещают так, что элемент с меньшим коэффициентом термического расширения находится вне зоны пайки, а элемент с большим коэффициентом термического расширения - в зоне пайки, на наружной оболочке размещают дополнительный компенсатор, сопряженный с ее элементами и со сварным швом и выполненный из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения элемента, находящегося вне зоны пайки. The method of soldering telescopic structures containing a thick-walled outer and thin-walled inner shell of dissimilar materials, including assembling the structure, heating, soldering and cooling it by forcing the inner shell to pressurize the outer shell due to the pressure placed inside the thermal compensator, characterized in that the structures are assembled, the outer shell which is made of welded elements, the materials of which have different coefficients of thermal expansion, while it is placed so that the element with a smaller coefficient of thermal expansion is outside the soldering zone, and an element with a large coefficient of thermal expansion is in the soldering zone, an additional compensator is placed on the outer shell, conjugated with its elements and with a weld and made of material with a coefficient of thermal expansion equal to the coefficient of thermal expansion of the element located outside the soldering zone.